SI/502131

Schlussbericht

Das Projekt « GREAT » - GReen Energy from Algae with microreactor Technology beschäftigte sich mit der Fragestellung, ob ethanolische Ölextrakte, die bei der Gewinnung von hochwertigen Fettsäuren aus Mikroalgen zurückbleiben (« Omega-3 » - Docosahexaensäure (DHA) und Eicosapentaensäure (EPA)) mittels kompakten, kontinuierlich betriebenen verfahrenstechnischen Anlagendesign und des chemischen Prozesses der «Alkoholyse» zu speicherbarer Energie in Form von Biodiesel umgewandelt werden können. Damit könnten diese anfallenden Stoffströme direkt vor Ort in der Mikroalgenfarm weiterverarbeitet und der gewonnene Biodiesel z.B. für den Betrieb von landwirtschaftlichem Gerät verwendet werden. Dazu wurde zunächst in Batch-Laborversuchen die prinzipielle Machbarkeit bestätigt, dass sich die aus Mikroalgen gewonnen Öle (Basis: käuflich erwerbbare Öle) ähnlich gut (Ausbeute >80%) wie andere untersuchte Öle (z.B. Sonnenblumenöl) zu Biodiesel und Glycerin umsetzen lassen. Im nächsten Schritt wurde dann versucht, die aus den Batch-Versuchen gewonnenen Erkenntnisse zu nutzen, um damit einen kontinuierlichen Prozess zu entwickeln. Dies geschah aufgrund der Überlegung, dass eine batchweise Verarbeitung des Mikroalgenölabfalls zwar möglich, jedoch zu grösseren Reaktoren und Trennapparaten führen würde. Damit würden einerseits die mit der Beschaffung verbundenen Kosten steigen und der Betrieb dieser Anlagen erhöhten Betreiberaufwand erfordern, was insbesondere einer angedachten Installation des Gesamtprozesses – Mikroalgenkultivierung/ Ölgewinnung/ Abfallverwertung – in landwirtschaftlichen Betrieben widersprechen würden, da dort die Erfahrung mit der Durchführung von chemischen Reaktionen wenig bis gar nicht vorhanden ist. Eine kompakte, weil kontinuierliche und idealerweise auch selbstregelnde Anlage hingegen erfordert diese speziellen Kenntnisse eher nicht. Mit der Verwendung von sog. Mikroreaktoren – meist nicht viel grösser als eine Zigarettenschachtel – als kompakte Chemiereaktoren für den kontinuierlichen Betrieb und mit geringen, zu dieser Fragestellung optimal passenden Durchsatzleistungen sowie hervorragenden Mischeigenschaften, waren die idealen strömungs- und reaktionstechnischen Reaktormodelle schnell gefunden. Von der Alkoholyse ist bekannt, dass aufgrund der schlechten bis gar nicht vorhandenen Mischbarkeit der Alkohole mit den (Pflanzen-)Ölen eine überstöchiometrische Zugabe der Alkohole (bis 30:1 mol/mol) erforderlich ist, um durch diesen Überschuss zumindest eine teilweise Vermischung der Reaktionspartner zu erzielen und so die chemische Reaktion doch noch und mit ausreichender Ausbeute durchführen zu können. Selbstverständlich muss der überschüssige Alkohol danach wieder entfernt werden, was mittels eines destillativen Prozesses gut möglich ist. Jedoch muss hierfür (zusätzliche) thermische Energie aufgewendet werden -was den Energieertrag aus der Biodieselbildung schmälert und zudem einen negativen CO2-Fussabdruck aufweist, da sowohl der verwendete Alkohol wie auch die erforderliche thermische Energie derzeit noch überwiegend aus fossilen Quellen stammt. Dieser Effort kann wesentlich reduziert werden, wenn es gelingt, die unmischbaren Reaktionspartner durch effiziente Mischtechnik, wie sie u.a. Mikrorekatoren ermöglichen, dennoch in intensiven Kontakt zu bringen. Die diesbezüglichen Versuche zeigten dann, dass dieser Ansatz erfolgreich ist: So konnten selbst mit einem molaren Verhältnis von nur noch 10:1 (Alkohol:Öl) identische Umsatzgrade erzielt werden, wie im batch-Laborversuch bei 40:1. Gleichzeitig, und das war überraschend aber für den Transfer des Prozesses von der batch- in die kontinuierliche Fahrweise umso bedeutender, konnte die dafür erforderliche Reaktionszeit von 60 Minuten beim Batch-Betrieb auf unter 6 Minuten reduziert werden (<1/10 der sonst üblichen Verweilzeit). Mit Inline-Messgeräten wie der Dichtemessung (Coriolis-Messprinzip) konnte dieser Konti-Prozess zudem ausreichend kontrolliert und überwacht werden – ein weiterer Baustein im Hinblick auf eine Umsetzung im Rahmen eines kompakten, einfach zu bedienenden Prozesses. Eine ökonomische Abschätzung des Gesamtprozesses zeigte zudem auf, dass der Prozess auch wirtschaftlich betrieben werden kann – und gegenüber einem Mikroalgenkultivierungsprozesses ohne die Gewinnung hochwertiger Öle und der Biodieselgewinnung Vorteile besitzt.